Wärme aus erneuerbaren Energien: Modellierung des Potenzials verschiedener Quellen aus Geodaten am Beispiel von Fließgewässern

Abstract

Energiebedingte Emissionen entstehen nicht nur bei Umwandlung von Energieträgern in elektrische Energie, sondern auch bei der Umwandlung in thermische Energie. Um diese Emissionen zu reduzieren und eine klimaneutrale Versorgung zu erreichen, müssen verstärkt erneuerbare Energieträger eingesetzt werden. Hierfür gibt es vielfältige Möglichkeiten, die jedoch von den lokalen Bedingungen abhängig sind - denn Wärme lässt sich nur über begrenzte Distanzen effizient transportieren. Daher muss der Wärmebedarf lokal durch die verfügbaren Quellen gedeckt werden. Potenzialanalysen nehmen eine Schlüsselrolle bei der Planung von klimaneutralen Wärmeversorgungssystemen ein. Sie ermöglichen die Energiemenge sowohl quantitativ als auch räumlich zu erfassen. Um den Einsatz erneuerbarer Energien effizienter zu gestalten und fossile Energieträger schneller zu verdrängen, sollte die Potenzialanalyse möglichst wenig Ressourcen, insbesondere in Form von Zeit, fordern. In der vorliegenden Masterarbeit werden zunächst bereits existierende Lösungsansätze für die verschiedenen Wärmequellen untersucht. Derzeit existieren überwiegend spezifische (auf ein Gebiet angepasste) Lösungen mit einer niedrigen zeitlichen und räumlichen Auflösung. Kern der Arbeit ist die Entwicklung eines generischen (allgemein anwendbaren) Modells, welches das Potenzial von Fließgewässern automatisiert und unter Berücksichtigung der lokalen Gegebenheiten erfasst. Es wird untersucht welche räumlichen Daten und welche geoinformatischen Methoden eingesetzt werden können. Die Software wurde anhand von Daten aus dem Land Nordrhein-Westfalen (Deutschland) in Python entwickelt. Durch den modularen Aufbau des Modells und die Möglichkeit zur Berücksichtigung individueller Nutzereingaben ist das Modell auch auf andere Regionen anwendbar. Der implementierte Prozess segmentiert die Geometrien der Fließgewässer, um die verschiedenen Bedingungen und Grenzwerte bei der Berechnung des Potenzials abzubilden. So konnte das Potenzial mit einer räumlichen Auflösung von Fließgewässersegmenten und einer täglichen zeitlichen Auflösung berechnet werden. Durch die differenzierte Berechnung der Potenziale kann gezeigt werden, dass das theoretische Potenzial deutlich über dem technischen Potenzial liegt und daher die Definition des Potenzialbegriffs von essentieller Bedeutung ist. Weiter wird auch mithilfe einer Sensitivitätsanalyse gezeigt, dass angesichts ausreichend hoher Wassertemperaturen in Nordrhein-Westfalen der Durchfluss einen größeren Einfluss auf das Potenzial hat als die Wassertemperatur. Die Ergebnisse des Modells können bei der Wärmeplanung sowie dem lokalen Wärmenetzausbau genutzt werden. Darüber hinaus lassen sich genauere Messdaten integrieren, um präzisiere Daten für die Feinplanung zu generieren.